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LLC共振ハーフブリッジ・コンバータ

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータの試作その２

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータを改良しました。

UCC28056AのPFCで、駆動しています。

DC390V入力,  f0=100kHz, DC+-48V, 200W出力で設計しています。

主要部品としては、以下の部品を使用しています。

LLC共振コントローラ: UCC256404

LLC用トランス: 760895651

MOSFET: IPAN60R360PFD7S

2次側整流ダイオード: KMB220S

2次側オプトカプラ・ドライバ: LT4430

デジタル・アイソレータ: Si8710AC-B-IS

Excelの設計ツールは、

UCC25640x Design Calculator (Rev. C)

になっています。

負荷としてD級アンプを接続して、

バーストモードの設定をOption 6で、

Vbmt_h={0.417, 1.026, 1.667}Vを試しましたが、

トランスからジーっというノイズが出るため、

最終的に、バーストモードを無効(Option 7)としました。

D級アンプの場合、

無入力状態でも50%のデューティ比で動作しているため、

いわゆる待機状態にはならないので、

バーストモードは必須ではないと思います。

トロイダルトランスによるコンデンサインプットの電源よりも、

力率と整流ノイズの面で有利なので、

音にもそれがそのまま反映されてくる感じです。

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2段LCフィルタ正負電源、LLC共振ハーフブリッジ・コンバータ

150W LLCコンバータの基板設計

HiperLCSによる120kHz 150W LLCコンバータの基板設計をまとめておきます。

AN-55 – HiperLCS Family Design Guide

PI Expert Suite

 

データシート、デザインガイド、設計ツールを利用して、

補助電源とグランドの分離(GNDとG)や

Yキャパシタの経路などを考慮して設計します。

 

また、レジスタ・ディバイダの抵抗比の合わせ込みや、

高電圧部の分離、共通コレクタ構成のフィードバック、

バイパスコンデンサの周波数による調整なども

考慮が必要です。

 

主要部品として、

LLCコントローラはLCS701、

LLCトランスは760895451、

1次側のHVスタートアップはIRS25751、

デジタルアイソレータはSi8710AC-B-IS、

2次側のオプトカプラドライバはLT4430、

ブリッジダイオードはKMB220STR、

インダクタはB78108E1151M009

を選択しています。

 

 

EAGLEの回路図です。

 

基板レイアウトです。

 

基板上面のベタパターンです。

 

基板下面のベタパターンです。

 

以降は、試作に続きます。

 

 

 

 

2段LCフィルタ正負電源、LLC共振ハーフブリッジ・コンバータ

250kHz 140W LLCコンバータの基板設計

HiperLCSによる250kHz 140W LLCコンバータの基板設計をまとめておきます。

AN-55 – HiperLCS Family Design Guide

データシートやデザインガイドにしたがって、

補助電源の接続やグランドの分離(GNDとG)などを考慮して設計します。

 

部品点数は少ないですが、リード部品中心で構成しているため、

データシートの面実装部品中心のレイアウトが

そのまま当てはまらない部分は工夫が必要です。

 

EAGLEの回路図です。

 

基板レイアウトです。

 

基板上面のベタパターンです。

 

基板下面のベタパターンです。

 

以降は、試作に続きます。

 

 

 

 

2段LCフィルタ正負電源、LLC共振ハーフブリッジ・コンバータ

250kHz 140W LLCコンバータの回路設計

HiperLCSによる250kHz 140W LLCコンバータの回路設計をまとめておきます。

 

HiperLCSの特徴を引用しておきます。

• コントローラ、ハイサイド/ローサイド ゲート ドライブ、高耐圧パワー MOSFET を組み込んだ LLC ハーフブリッジ コンバータ
• 外付け部品点数を最大 30 個削減可能
• 最大動作周波数 1 MHz
• 最大 500 kHz の定格定常動作
• 磁性部品のサイズを大幅に削減し、SMD セラミック出力コンデンサが使用可能
• 精密なデューティの対称性により、出力ダイオード電流が均等になり効率を改善
• 通常 300 kHz で 50% ± 0.3%
• 包括的な異常時の保護動作と電流制限動作
• プログラム可能な起動/停止スレッシュホールド及びヒステリシス
• 低電圧 (UV) 及び過電圧 (OV) 保護
• ユーザー設定可能な過電流保護 (OCP)
• 短絡保護 (SCP)
• 過熱保護 (OTP)
• 最適設計のためのユーザー設定可能なデッドタイム
• ユーザー設定可能なバースト モードにより無負荷時のレギュレーションを維持し、軽負荷時効率を改善
• ユーザー設定可能なソフトスタート時間及びソフトスタート開始ディレー タイム
• ユーザー設定可能かつ高精度な最小及び最大の周波数制御
• 高出力及び高周波用に設計された単一パッケージ
• 組立コストを削減し基板レイアウト ループ エリアを削減
• ヒートシンクへの簡単な取り付け
• ピン配列を交互にずらすことで、プリント基板の配線が簡素化し高電圧動作の沿面要件にも対応
• HiperPFS PFC 製品と併用することで、完全かつ高効率でありながら部品点数の少ない PSU ソリューションが得られる

 

設計手順としては、

AN-55 – HiperLCS Family Design Guide

デザインガイドに沿って、

PI Expert Suite

ツールで主要パラメータを決定していくだけです。

 

設計例としては、こちらのレポートが参考になります。

RDR-239 – HiperLCS を使用した 150 W LLC 高電圧 DC-DC 共振コンバータのデザイン例レポート

回路図を引用しておきます。

 

今回の設計目標は、

出力: DC +-48Vで、

入力: PFC 400V、

補助電源: 18V(PFCより)

を想定しています。

 

トランスは250kHzで駆動できるものとして、

平面トランス(Lpar: PH0802CNL)とトロイダルトランス（Lser: CTX50-1-52-R)で構成します。

PH08XXCNL Series: Planar Transformer Continues Cost-Down Initiative

LCPI Inductor

2次側は、

フルブリッジ構成にして、DC+-48Vを得ます。

ポストフィルタのインダクタ(B78108E1151M009)は、

Inductors RF chokes, BC+ series

フィードバック回路は、

LT4430

Si8710AC-B-IS

で構成します。

 

以降は、基板設計に続きます。

 

 

 

 

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータ

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータの試作

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータを試作しました。

200W DC385V入力,  DC+-48V出力で設計しています。

 

主要部品としては、以下の部品を使用しています。

PFCコントローラ: UCC256404

LLC用トランス: 760895651

MOSFET: IPA60R170CFD7

2次側整流ダイオード: STPS30M100S

2次側オプトカプラ・ドライバ: LT4430

デジタル・アイソレータ: Si8710AC-B-IS

 

実際に試作してみたところ、

Excelの設計ツールのISNSで、電流検出抵抗Risnsの計算値に誤りがありました。

UCC25640x Design Calculator (Rev. B)

また、BW, LL/SSの抵抗分圧器の設定が複雑で依存関係があるのと

データシートのBurst ModeのOptionの設計方法の説明が不十分で誤りもあり、

設定値の合わせ込みや調整に時間がかかりました。

 

データシートの他に、

こちらの資料も見ておいた方がよいと思います。

Migrating to UCC25640x from UCC25630x

PFCLLCSREVM034 User Guide

 

なお、無負荷時10mA程度の設計なので、

Option 3のBurst Modeに設定しています。

 

現在、GaN FETアンプの電源として、

CHN70のTLスピーカを出力、UMC202HDを入力として、

PCのYouTubeを音源としてエージングもかねて、

臨界モードPFCとともに使用して評価しています。

 

調整中に2次側をフロート、1次側を接地、NTCなしで、

立ち上げたところ、漏電遮断機が落ちてしまったので、

NTCを追加して、

2次側と1次側をインレットのアース端子に筐体内で接地して、

商用電源にはアースなしで接続しています。

 

無信号時のフロアノイズとしては、

ハードスイッチングのACアダプタとは異なり、

可聴帯域のノイズは、100Hz付近が少し盛り上がる程度です。

おそらく、AC100V入力のダイオードブリッジの逆回復ノイズと

PFCチョークの誘導ノイズだと思われます。

空中配線を変更するだけで、軽減できます。

 

これまでの、

300VAトロイダルトランスとコンデンサ・インプットSiC SBDの電源と比較しても、

100Hz付近のノイズは低減し、電源レールのレギュレーションは向上しているため、

D級アンプの電源としては、PFC+LLC電源が適していると思います。

高効率で低背のソフトスイッチング電源によるD級アンプの音は、

なかなかよいです。

 

 

 

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータ

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータの基板設計

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータの基板設計をまとめておきます。

 

まず、回路図です。

PFC入力のUCC256404のWEBENCHの回路図に基づいています。

 

次に、配線図です。

LLC用トランスの760895651が基板の大部分を占めます。

MOSFETは、IPA60R170CFD7、

2次側整流ダイオードは、STPS30M100S、

2次側オプトカプラ・ドライバは、LT4430,

デジタル・アイソレータに、Si8710AC-B-ISを想定しています。

 

 

基板上面のベタパターンです。

スイッチングノードが小さくなるように配置しています。

 

基板下面のベタパターンです。

パワーグランドとシグナルグランドを1点で分離しています。

 

1次側、2次側ともに部品数も少なく、

すっきり配置できています。

プッシュプル正負電源

500W ハーフブリッジ・コンバーターの回路設計

Push-Pull PWM Controller LTC3721-1を用いて、

500W ハーフブリッジ・コンバーターによる

ユニバーサル・オフライン正負電源(AC100/200V->DC+-50V)を設計します。

 

LT3723-1/LTC3721-2 同期整流式プッシュプル PWMコントローラ

のデータシートには、

プッシュプル、フルブリッジ、ハーフブリッジおよび

フォワード･トポロジーをサポート

とあって、フルブリッジの標準的応用例が参考になります。

 

LTspiceの回路図はこちら。

LTspiceの過渡解析はこちら。

緑：正側出力電圧(+50V)、青：正側CMC電流(5A負荷)

 

回路構成として、

１次側は、

AC100V入力時、

倍電圧整流にして、

AC200Vの設計としています。

 

また、２次側は、

STTH15L06FPによるブリッジ整流としています。

 

LT4430のエラーアンプのゲインは10倍、

LT3723-1のRcxは30m Ohm、Rslopeは470 Ohm、

SSは68n, CTは330p(200kHz(ドライバ出力は100KHz))に

それぞれ、設定しています。

また、VCCのバイアス回路は、

15Vと3.3VのZenerで構成しています。

 

その他の主要部品などは、

500W 2スイッチ・フォワードコンバータの回路設計

を参考にしてください。

 

フォワードコンバータ

500W 2スイッチ・フォワードコンバータの回路設計

Single Switch PWMController with AuxiliaryBoost Converter

LT1950を用いて、500W 2スイッチ・フォワードコンバータの回路設計をしてみました。

 

主要部品として、

絶縁型ゲートドライバは、ADuM4120-1B、

MOSFETスイッチは、IPA60R280P7S、

トランスのコアは、PC40EER42/42/20-Z、

整流用ダイオードは、STPS20200CFP、

整流用CMCは、744844101、

オプトカプラ・ドライバは、LT4430、

オプトカプラは、HCPL-4506、

でシミュレーションしています。

 

LTspiceの回路図はこちら。

 

LTspiceの過渡解析はこちら。

緑：正側出力電圧(+50V)、赤：正側CMC電流(5A)

 

5A負荷時の出力の電圧降下が3.5V程度ありますが、

オーディオパワーアンプ用のオフラインの正負電源

(500W, 入力AC100V/出力DC+-50V)なので、

実用的には十分です。

 

以下に、回路の構成のポイントをまとめておきます。

 

2スイッチ・フォワードコンバータは、

デューティ比を50%未満にする必要があるので、

LT1950のVsecピンにRefピンから抵抗分圧で、

最大デューティ比を設定しています。

 

また、LT1950はブーストコンバータを内蔵していますが、

140mA程度の電源が必要なり、

コントローラ用の電源回路が複雑になるため使用していません。

かわりに、

抵抗とZenerダイオードによる5Vおよび12Vの電源回路だけとしています。

 

さらに、L1950のGateピンから抵抗分圧で、

ADuM4120-1Bの入力として

ハイサイドとローサイドのスイッチを同相で駆動しています。

 

プッシュプル正負電源

LTC3721-1によるプッシュプル200W 50V正負電源の基板設計

LTC3721-1によるプッシュプル200W 50V正負電源の基板設計です。

こちらの資料が参考になります。

非絶縁型スイッチング電源のPCBレイアウトにおける考慮事項

電源レイアウトとEMI

リニア・レギュレータとスイッチング電源の基本概念

 

EAGLEの回路図はこちら。

基板設計はこちら。

上面のパターンはこちら。

下面のパターンはこちら。

トランス(HPH6-2400L)が面実装なのと、

ブリッジ整流(STTH1502FP)とコモンモードチョーク(744844470)など、

パワー系のパターンの引き回しに工夫が必要でしたが、

80x100mmのサイズに収まりました。

 

 

プッシュプル正負電源

LTC3721-1によるプッシュプル200W 50V正負電源の回路設計

比較的簡単に作れる入力AC100V入力, 出力200W, DC+-50VのD級アンプ用プッシュプル電源を設計します。

まず、ループ補償の設計に必要な資料(AN149)と主な部品をあげておきます。

回路はLTC3721-1のデータシートに出ているものを踏襲しています。

Modeling and Loop Compensation Design of Switching Mode Power Supplies

LTC3721-1

LT4430

Si8710

HPH6-2400L

744844470

IPA95R450P7

STTH1502FP

GBU6J

 

つぎにLT Spiceでのシミュレーション用の回路図を示します。

最後に200W(50Ω, 2A, 100V(+-50V))負荷時の過渡応答を示します。

緑が出力電圧(+50V)、青がCMC(744844470)の電流、赤が2次側電圧のフィードバックです。